基于GPS巡航的污水检验船结构和控制系统设计
发布时间：2021-02-22 06:10
随着我国不断地发展,水环境污染问题日趋严重。国家在水环境监测及治理上下了很大的功夫,也取得了不小的成果,但是水环境污染现状依旧严峻,水环境污染检测及治理是一场持久战。现在的大部分情况下,水环境的监测采用的都是人工方式,比如:划船取水、放置浮漂、建立水上监测站等。这些监测方法不仅要耗费大量的人力物力财力,监测位置还比较固定,监测范围小、密度低,周期长,不能快速准确地获取水体的各项动态数据。鉴于此,快速、高效、低成本地进行大范围、高密度的水质监测,获取水体质量的实时动态数据,成为现代水质监测的主流需求。通过无人船的来进入某些小的河流可以实现便捷测量,并且无人船可以实现远程控制,通过4G信号来进行远程的测量更可以实现。但是由于电池续航能力的限制,传统污水检验船很难再开阔的湖泊中作业。本文设计并制作了一艘无人污水检验船,该船具有智能化、小型化、无人化、机动性强的特点。通过其携带的各类传感器,可以准确实时的监测水体的各项动态数据,并通过网络通信实时传回监控中心。无人污水检验船可实现遥控控制或者通过算法实现自主航行,大大提高了工作效率,降低了成本。还因其尺寸较小,吃水较浅,无人污水检验船可以实现狭...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
无人船[1]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-4-图1-2斯巴达侦察兵[1]这种无人船，大致由五部分组成。包括通讯系统、动力的组成、监控系统、水质采样模块、规避障碍物的模块。该船的探索最远距离为100米，采用蓄电池供电，最长的续航时间为8个小时。其水质采样模块能够多点采样，主要应用于内河、湖泊、开放水域。英国ASV公司研制的无人监测船CAT4000，可用来进行水质采样和水文环境的评估与近海调查。CAT4000无人水质监测船的船体结构为双体船，导航与定位采用的是美国的GPS全球地位系统。该水质无人监测船以电池作为能源，两个电机提供动力，续航能力可达4个小时[20]。它还配备了一套柴油发电机系统，在电池没电或者主电源出现故障时，可以启用作为备用动力的柴油发电机，使得无人水质监测船能够继续工作。英国普利茅斯大学MIDAS科研小组研发了“Springer”号无人船，其可被用于内河、水库和沿海等浅水水域污染物追踪、环境和航道信息测量等[21]。Springer无人船的船体结构为双体船，总长4米，宽度达到2.3米，使用直流电机驱动。因为普通的GPS定位存在定位精度不够、可靠性不足的弊端，所以，Springer号无人船搭载了SLAM技术，用来弥补普通GPS定位所产生的不足。Springer无人船以哈默斯坦和维纳模型为原型，采用遗传算法非线性预测控制的思想来进行实时局部路径规划。Springer无人船搭载的YSI环境监测设备可以对水质常规五项及氯化物、叶绿素、水深等水体参数进行监测分析。2005年，意大利热那亚CNR-ISSIA研究机构研发的Charlie号USV是一艘双体船[22-23]，动力系统采用无刷直流电机作为驱动，船上还配备了几块太阳能电池板。在天气晴朗时，可对电池进行充电，提高了续航能力。
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-5-2011年日本北海道大学开发无人船“UBP”[24]。该船的动力不采用传统的螺旋桨电机，而是采用先进的气动装置提供动力源。克服了水域的杂物对螺旋桨的影响。使无人船能到达水草密集、沼泽等复杂水域。1.2.2国内研究现状2008年中国沈阳航天新光研发了图1-3所示的“天象一号”水面无人艇，船体为高速单体船，采用碳纤维制成。“天象一号”无人船的操控方式有两种：人工遥控和自主巡航。人工遥控模式下，操作人员可以通过遥控器或者手机电脑等操纵无人船的行进；自主巡航模式下，无人船可以根据预设的航线轨迹，自主航行到指定区域；或者在划定区域内巡航。无人船上还配备了自主避障系统，如果无人船在自主行进的途中遇到了障碍物，无人船可以通过目标搜索系统、目标识别系统、处理系统，进行自主避让航行，大大保障了无人船能够顺利的完成监测任务。“天象一号”主要用于海洋气象监测，它曾经在青岛奥帆中心为奥运会帆船板比赛提供气象保障服务。图1-3天象一号[1]2008年，上海海事大学研制了可以远程操作的水面无人监测船[25-26]，它的远程操作系统是基于无线局域网开发的。该船搭载了常规的水质检测设备和实时摄像监控，主要用于水文调查，水质采样，海港监控，海上搜救测试，具有较强的海上生存能为15公里的续航能力。2009年，国家海洋局第一海洋研究所研制了USBV无人船，它搭载了水质传感器，并在2015年青岛进行了水质监测实验。2011年，我国安徽省巢湖启用了“巢环监1号”,该监测船具有水上实验、移动监测和快速预警等功能。“巢环监1号”的监测范围可以覆盖整个巢湖，对监控巢湖蓝藻起到了明显的效果。
【参考文献】：
期刊论文
[1]大型液化天然气储罐在冲击荷载下的动力响应数值研究（英文）[J]. Chen YAN,Xi-mei ZHAI,Yong-hui WANG. Journal of Zhejiang University-Science A（Applied Physics & Engineering）. 2019(11)
[2]基于STM32的无人船控制系统设计与实现[J]. 晁鹤,郑恩让. 计算机测量与控制. 2019(10)
[3]无人船测深系统在潮间带地形测量中的应用[J]. 钱辉,舒国栋,王露. 水利水电快报. 2019(10)
[4]无人船水深测量系统在二河闸的应用[J]. 曹春泉,周威,狄大鹏. 智能城市. 2019(19)
[5]基于433MHZ无线通讯的时间同步设计与实现[J]. 张如周,鲍教旗,李杰,曹敬国,安建军,闫卫国,徐欢,储怡芳,贾国栋. 仪器仪表用户. 2019(01)
[6]浅谈城镇污水水质检测重要性及排放标准[J]. 王蕾萍. 化工管理. 2018(29)
[7]新型小水线面穿浪双体船的阻力性能研究[J]. 魏可可,高霄鹏,董祖舜. 中国造船. 2018(03)
[8]多时钟同步方案的比较与测试[J]. 战裕隆,杨佳利,朱纪洪. 计算机测量与控制. 2018(06)
[9]精确时间同步协议在空间无线信道下的适应性研究[J]. 庞策,张亚生,申曲. 计算机测量与控制. 2018(03)
[10]走航式水质采集监测平台的构建[J]. 高超,张嘉琪,焦岩,郭欣蕊,张言. 海洋技术学报. 2018(01)
硕士论文
[1]一种水质监测无人船系统的设计与实现[D]. 蒋星宇.南京信息工程大学 2018
[2]无人船智能水质监测平台的设计与开发[D]. 唐啸宇.海南大学 2018
[3]水质采样无人船控制系统设计[D]. 佟科斌.海南大学 2017
[4]锂离子动力电池容量估算方法的研究[D]. 贾雪蕾.哈尔滨工业大学 2016
[5]无人驾驶水样采集船关键技术研究[D]. 李峰.山东大学 2016
[6]无人艇控制系统设计[D]. 徐建华.江苏科技大学 2016
[7]双体双推进无人船路径跟踪控制研究[D]. 邵峰.青岛大学 2015
[8]无人船控制系统设计与实现[D]. 孙东平.中国海洋大学 2015
[9]面向应急监测的河道污染源追踪定位方法研究[D]. 鲁天龙.浙江大学 2015
[10]激光仿生耦合处理铝合金机械性能的研究[D]. 赵国平.吉林大学 2013
本文编号：3045563
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
无人船[1]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-4-图1-2斯巴达侦察兵[1]这种无人船，大致由五部分组成。包括通讯系统、动力的组成、监控系统、水质采样模块、规避障碍物的模块。该船的探索最远距离为100米，采用蓄电池供电，最长的续航时间为8个小时。其水质采样模块能够多点采样，主要应用于内河、湖泊、开放水域。英国ASV公司研制的无人监测船CAT4000，可用来进行水质采样和水文环境的评估与近海调查。CAT4000无人水质监测船的船体结构为双体船，导航与定位采用的是美国的GPS全球地位系统。该水质无人监测船以电池作为能源，两个电机提供动力，续航能力可达4个小时[20]。它还配备了一套柴油发电机系统，在电池没电或者主电源出现故障时，可以启用作为备用动力的柴油发电机，使得无人水质监测船能够继续工作。英国普利茅斯大学MIDAS科研小组研发了“Springer”号无人船，其可被用于内河、水库和沿海等浅水水域污染物追踪、环境和航道信息测量等[21]。Springer无人船的船体结构为双体船，总长4米，宽度达到2.3米，使用直流电机驱动。因为普通的GPS定位存在定位精度不够、可靠性不足的弊端，所以，Springer号无人船搭载了SLAM技术，用来弥补普通GPS定位所产生的不足。Springer无人船以哈默斯坦和维纳模型为原型，采用遗传算法非线性预测控制的思想来进行实时局部路径规划。Springer无人船搭载的YSI环境监测设备可以对水质常规五项及氯化物、叶绿素、水深等水体参数进行监测分析。2005年，意大利热那亚CNR-ISSIA研究机构研发的Charlie号USV是一艘双体船[22-23]，动力系统采用无刷直流电机作为驱动，船上还配备了几块太阳能电池板。在天气晴朗时，可对电池进行充电，提高了续航能力。
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-5-2011年日本北海道大学开发无人船“UBP”[24]。该船的动力不采用传统的螺旋桨电机，而是采用先进的气动装置提供动力源。克服了水域的杂物对螺旋桨的影响。使无人船能到达水草密集、沼泽等复杂水域。1.2.2国内研究现状2008年中国沈阳航天新光研发了图1-3所示的“天象一号”水面无人艇，船体为高速单体船，采用碳纤维制成。“天象一号”无人船的操控方式有两种：人工遥控和自主巡航。人工遥控模式下，操作人员可以通过遥控器或者手机电脑等操纵无人船的行进；自主巡航模式下，无人船可以根据预设的航线轨迹，自主航行到指定区域；或者在划定区域内巡航。无人船上还配备了自主避障系统，如果无人船在自主行进的途中遇到了障碍物，无人船可以通过目标搜索系统、目标识别系统、处理系统，进行自主避让航行，大大保障了无人船能够顺利的完成监测任务。“天象一号”主要用于海洋气象监测，它曾经在青岛奥帆中心为奥运会帆船板比赛提供气象保障服务。图1-3天象一号[1]2008年，上海海事大学研制了可以远程操作的水面无人监测船[25-26]，它的远程操作系统是基于无线局域网开发的。该船搭载了常规的水质检测设备和实时摄像监控，主要用于水文调查，水质采样，海港监控，海上搜救测试，具有较强的海上生存能为15公里的续航能力。2009年，国家海洋局第一海洋研究所研制了USBV无人船，它搭载了水质传感器，并在2015年青岛进行了水质监测实验。2011年，我国安徽省巢湖启用了“巢环监1号”,该监测船具有水上实验、移动监测和快速预警等功能。“巢环监1号”的监测范围可以覆盖整个巢湖，对监控巢湖蓝藻起到了明显的效果。
【参考文献】：
期刊论文
[1]大型液化天然气储罐在冲击荷载下的动力响应数值研究（英文）[J]. Chen YAN,Xi-mei ZHAI,Yong-hui WANG. Journal of Zhejiang University-Science A（Applied Physics & Engineering）. 2019(11)
[2]基于STM32的无人船控制系统设计与实现[J]. 晁鹤,郑恩让. 计算机测量与控制. 2019(10)
[3]无人船测深系统在潮间带地形测量中的应用[J]. 钱辉,舒国栋,王露. 水利水电快报. 2019(10)
[4]无人船水深测量系统在二河闸的应用[J]. 曹春泉,周威,狄大鹏. 智能城市. 2019(19)
[5]基于433MHZ无线通讯的时间同步设计与实现[J]. 张如周,鲍教旗,李杰,曹敬国,安建军,闫卫国,徐欢,储怡芳,贾国栋. 仪器仪表用户. 2019(01)
[6]浅谈城镇污水水质检测重要性及排放标准[J]. 王蕾萍. 化工管理. 2018(29)
[7]新型小水线面穿浪双体船的阻力性能研究[J]. 魏可可,高霄鹏,董祖舜. 中国造船. 2018(03)
[8]多时钟同步方案的比较与测试[J]. 战裕隆,杨佳利,朱纪洪. 计算机测量与控制. 2018(06)
[9]精确时间同步协议在空间无线信道下的适应性研究[J]. 庞策,张亚生,申曲. 计算机测量与控制. 2018(03)
[10]走航式水质采集监测平台的构建[J]. 高超,张嘉琪,焦岩,郭欣蕊,张言. 海洋技术学报. 2018(01)
硕士论文
[1]一种水质监测无人船系统的设计与实现[D]. 蒋星宇.南京信息工程大学 2018
[2]无人船智能水质监测平台的设计与开发[D]. 唐啸宇.海南大学 2018
[3]水质采样无人船控制系统设计[D]. 佟科斌.海南大学 2017
[4]锂离子动力电池容量估算方法的研究[D]. 贾雪蕾.哈尔滨工业大学 2016
[5]无人驾驶水样采集船关键技术研究[D]. 李峰.山东大学 2016
[6]无人艇控制系统设计[D]. 徐建华.江苏科技大学 2016
[7]双体双推进无人船路径跟踪控制研究[D]. 邵峰.青岛大学 2015
[8]无人船控制系统设计与实现[D]. 孙东平.中国海洋大学 2015
[9]面向应急监测的河道污染源追踪定位方法研究[D]. 鲁天龙.浙江大学 2015
[10]激光仿生耦合处理铝合金机械性能的研究[D]. 赵国平.吉林大学 2013
本文编号：3045563
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